La configuración de la capa de valencia para el oxígeno es 2s²2p⁴, existiendo dos orbitales p con un electrón desapareado cada uno de ellos. No es necesaria, por tanto, la promoción de un electrón para justificar la valencia 2 de este elemento.

Si los dos enlaces se produjeran utilizando los electrones desapareados de cada uno de los orbitales p del oxígeno, el ángulo de enlace H-O-H sería próximo a 90º. Sin embargo, los datos experimentales indican que este ángulo.  es de 104.5º, aproximadamente. Para explicar este hecho, suponemos que se produce una hibridación entre un orbital s y los tres orbitales p del oxígeno, dando lugar a cuatro  orbitales híbridos sp³ con las mismas características y formando entre sí ángulos de 109,5º, valores más semejantes al ángulo de 104.5º antes mencionado que el de 90º.

La discrepancia entre los ángulos de 109,5º y 104,5º se debe a la distorsión originada por los dos pares de electrones no enlazados,que ocupan dos de los orbitales híbridos sp³, sobre los otros dos pares de electrones enlazantes.

A continuación puede verse una animación del modelo de la molécula de H₂O, realizada mediante el programa Jmol. Para ver esta animación, pulse sobre el siguiente botón.